Wie viele Tonnen Mineralien könnten in den nächsten 30 Jahren für die neue saubere Energieerzeugung benötigt werden? Wie viel CO2 könnte bei der Gewinnung dieser Mineralien freigesetzt werden?
In diesem Papier wurden Schlüsselfragen untersucht:
Gibt es genügend Mineralien für den Übergang zu sauberer Energie? (Ja)
Werden wir das 1,5C CO2-Budget sprengen, um diese Materialien zu produzieren? (Keine Sorge)
Wie viele Materialien brauchen wir? (Eine ganze Menge, es kommt darauf an)
Müssen wir mehr abbauen? (Ja, in unterschiedlichem Ausmaß)
Wir haben 75 verschiedene integrierte Bewertungsmodellläufe in der @IIASAVienna 1.5C-Datenbank untersucht. Die Betrachtung einer Reihe von Modellen (2020-2050), die die Erwärmung auf 2C/1,5C begrenzen, sowie die Wahl von Technologien und Energiepfaden zeigt, worauf der Materialbedarf reagiert.
https://data.ene.iiasa.ac.at/iamc-1.5c-explorer/#/login?redirect=%2Fworkspaces
Hier sind zum Beispiel 2 der 75 Szenarien (“onshore/offshore” bezieht sich auf Wind). Sie sehen, dass WITCH-GLOBIOM die Windkraft bevorzugt, während das Szenario “Niedrige Energienachfrage” die Sonnenenergie bevorzugt. Sie begrenzen die Erwärmung bis 2100 auf <2C bzw. <1,5C.
Hier sind zum Beispiel 2 der 75 Szenarien (“onshore/offshore” bezieht sich auf Wind). Sie sehen, dass WITCH-GLOBIOM die Windkraft bevorzugt, während das Szenario “Niedrige Energienachfrage” die Sonnenenergie bevorzugt. Sie begrenzen die Erwärmung bis 2100 auf <2C bzw. <1,5C.
Für eine Onshore-Windkraftanlage mit einer Leistung von 2-3 MW werden ca. 750-900 t Beton, 245-260 t Stahl, 3-7 t Kupfer, 10 t Aluminium und 15-20 t Glasfaserkomponenten für die Flügel benötigt.
Für eine 2-3-MW-Solaranlage werden 5,5-8,2 t Polysilizium, 50-150 t Beton, 100-150 t Stahl, 40-60 t Aluminium und 14-28 t Kupfer benötigt.
Unsere Ergebnisse? Erstens: Die geologische Verfügbarkeit von Mineralien ist kein Thema. Die einzige Ausnahme ist vielleicht Tellur für Dünnschicht-Solaranlagen.
Der kumulierte Bedarf für 2020-2050 ist nur ein Bruchteil der Reserven. Selbst wenn man den Materialbedarf für Elektrofahrzeuge und Netzspeicher berücksichtigt, bezweifeln wir, dass es bei einem dieser 17 Materialien Engpässe gibt.
Mein Mitautor @juzel_lloyd hat eine nette erste Schätzung des Materialbedarfs für die künftige Hochspannungsübertragung vorgenommen und festgestellt, dass der Bedarf an Aluminium/Kupfer/Stahl/Beton zwar beträchtlich ist, aber zusammen mit der Infrastruktur für die Stromerzeugung nur einen Bruchteil des jährlichen gesellschaftlichen Bedarfs ausmacht.
Allerdings müssten die Produktionsraten vieler Rohstoffe zum Teil erheblich steigen, um die potenzielle Nachfrage zu decken. Der kohlenstoffarme Energiesektor könnte ~15% der derzeitigen Aluminium-/Kupferproduktion und 12% der Silberproduktion benötigen. Die Produktion von Seltenen Erden müsste mindestens verdreifacht werden.
Zweitens haben wir die Emissionen im Zusammenhang mit der Produktion aller interessierenden Materialien von der Wiege bis zum Werkszugang betrachtet. Wir stellen fest, dass selbst unsere extremen Schätzungen für die Industrieemissionen am oberen Ende nur einen Bruchteil (Median <4%, Maximum 9%) des CO2-Budgets für ein zu 66% erreichtes 1,5°C-Ziel ausmachen.
Der Löwenanteil der industriellen Emissionen im Zusammenhang mit Materialien für sauberen Strom entfällt auf Polysilizium, Stahl, Aluminium und Zement. Die Dekarbonisierung dieser industriellen Prozesse könnte den Kohlenstoff-Fußabdruck der Dekarbonisierung noch weiter reduzieren.
Ich möchte betonen, dass in allen Fällen die mit dem Bau einer Reihe von kohlenstoffarmen Energiequellen verbundenen Emissionen bei weitem durch den Klimanutzen der vermiedenen Emissionen aus dem Status quo der fossilen Brennstoffe aufgewogen werden.
Worin liegen die Unterschiede zwischen den verschiedenen Szenarien? Ehrgeizigere Klimaszenarien, die auf 1,5°C abzielen, benötigen schneller mehr Infrastruktur, was den Materialbedarf erhöht. Solar-/Windkraftanlagen benötigen mehr Materialien, daher benötigen Szenarien mit mehr W+S mehr Mineralien.
Wenn wir eine kohlenstoffarme Energiewende mit weniger Bergbau erreichen wollen, könnte die Nutzung der materialeffizienten Kernenergie eine gute Möglichkeit sein, den Mineralienbedarf zu senken. Kontinuierliche Anstrengungen zur Verbesserung der Mineralienintensität in kohlenstoffarmen Technologien und zur Steigerung des Recyclings werden ebenfalls helfen.
Allerdings wird das Recycling die Nachfrage nach Mineralien wie Seltene Erden, Silber und Cd/Te, die wir traditionell nicht im Energiesektor verwenden und von denen wir keine großen Bestände/Umsätze haben, nur schrittweise verringern.
Ich möchte ein besonderes Ergebnis hervorheben, nämlich dass das Szenario “Niedrige Energienachfrage”, das heroische Bemühungen um Energieeffizienz/Erhaltung/Wachstum vorsieht, die die globale Endenergienachfrage im Jahr 2050 im Vergleich zu heute um 40% senken, nicht wirklich die Materialnachfrage reduziert.
Der Grund dafür ist:
1) Es handelt sich um ein 1,5C-Szenario, weshalb schnell viel Wind- und Solarenergie eingesetzt werden muss.
2) das Szenario mit niedrigem Energiebedarf verbietet Technologien mit negativen Emissionen wie direkte Luftabscheidung oder Biomasse+CCS, was einen viel ehrgeizigeren Dekarbonisierungsschub erfordert
Ich möchte darauf hinweisen, dass das Szenario “Niedrige Energienachfrage” weder gegen die Kernenergie noch gegen die Wasserkraft ist. Die Kernkraftkapazität verdoppelt sich bis 2050 auf 927 GW, die Wasserkraft wächst um etwa 50% auf 1845 GW. Wenn man diese Technologien verbieten würde, wie einige Aktivisten hoffen, würde die materielle Nachfrage weiter in die Höhe schnellen.
Ich möchte klarstellen, dass ich das Szenario der niedrigen Energienachfrage für völlig undurchführbar halte. Eine Reduzierung des globalen Endenergiebedarfs um 40% in den nächsten 30 Jahren auf 245 Exajoule/Jahr (heute ~415) ist unplausibel aggressiv. Doch selbst eine solch drastische Senkung beeinträchtigt den Bedarf an kohlenstoffarmen Energiequellen nicht.
Diejenigen, die einen Vorstoß nur für erneuerbare Energien fordern, um die globalen Emissionen auf einem ehrgeizigen 1,5°C-Pfad auf Null zu bringen, aber behaupten, dass wir neue Bergbauarbeiten vermeiden können, indem wir den Gürtel enger schnallen und die Energienachfrage reduzieren, haben einfach nicht richtig gerechnet.
Es gibt noch viele andere Teile dieses Papiers. Wir haben die potenziellen 10-Jahres-Wachstumsraten für Materialien auf der Grundlage des Bedarfs des Energiesektors bewertet. Wir haben untersucht, ob die Produktion von Nebenprodukten einiger Mineralien wie Tellur ein Hindernis darstellen könnte. Wir haben Sensibilitätstests für unsere Annahmen durchgeführt.
Und unsere Studie ist weder perfekt noch umfassend. Da sich die Batteriechemie und die netzgebundene Speicherung so schnell verändern, haben wir gezögert, ein Modell für die Speicherung zu erstellen, da wir mit unseren Annahmen im Dunkeln tappen würden. Wir haben die Emissionen aus der Herstellung/Bau nicht berücksichtigt…
Nichtsdestotrotz sind wir stolz darauf, eine Studie erstellt zu haben, die den Materialbedarf für nicht weniger als 17 Materialien im kohlenstoffarmen Energiesektor über eine breite Palette von Zukunftsszenarien und Technologien untersucht und dabei auch den in diesen Rohstoffen enthaltenen Kohlenstoff berücksichtigt.
Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse, unser Ansatz und unser Literaturüberblick anderen Forschern, die ähnliche Fragen untersuchen, als nützliche Ressourcen dienen und dass unsere Ergebnisse dazu beigetragen haben, das materielle Ausmaß des Übergangs zu kohlenstoffarmer Energie zu quantifizieren.
